Estudio y mejora del funcionamiento de un decantador industrial mediante el uso de modelos CFD con OpenFOAM

Abstract

Settling Tanks (STs) are used in wastewater treatment to improve water quality by elimination of suspended solids via gravitational settling. Gravitational separation processes and the internal hydrodynamics of the STs are often poorly understood and their design is often based on empirical relationships and past experience. CFD (Computational Fluid Dynamics) allows for a thorough understanding of the inner workings of STs. In this project, CFD is used to study the operation of an industrial ST in the treatment of groundwater and surface water generated at construction sites to ensure that any subsequent discharge meets environmental standards.

A CFD model is developed to study the hydrodynamics and sedimentation processes taking place in the tank. The aim is to gain a better understanding of these processes, identifying dead zones and short-circuiting, and observe the effect of internal baffle positioning to see how efficiency of the ST could be improved. Sedimentability of solids will also be studied. First, the single-phase flow field will be simulated and then, the multiphase Eulerian approach will be taken to model the dispersed phase using the 'drift flux' approximation with a k-¿ turbulence model. The model will be partially calibrated with experimental settling tests. The open source CFD software OpenFOAM® has been chosen because it is free and state of art. Proposals to improve tank performance and efficiency of the ST in the removal of suspended solids of the ST will be outlined. It is intended that the model be flexible and of use to the company in a variety of settings.

En el tratamiento de aguas residuales se utilizan decantadores para mejorar la calidad del agua eliminando los sólidos suspendidos por gravedad. Los procesos de separación por gravedad y la hidrodinámica interna de los decantadores suelen ser poco conocidos y su diseño a menudo está basado en relaciones empíricas y en la experiencia. Los CFD (Dinámica de Fluidos Computacional) permiten un conocimiento profundo del funcionamiento interno de los decantadores. En este proyecto se aplican los CFD para estudiar el funcionamiento de un decantador industrial en el tratamiento de las aguas subterráneas y superficiales generadas en las obras de construcción, y de este modo asegurar que su posterior vertido cumpla con los estándares medio ambientales. Se desarrolla un modelo numérico CFD para estudiar los procesos hidrodinámicos y de sedimentación que tienen lugar en el tanque. El objetivo es entender mejor estos procesos, identificar zonas muertas, corto-circuitos, y observar el efecto de la colocación de deflectores internos para mejorar la eficiencia del decantador. También se estudiará la sedimentabilidad de los sólidos. Primero se simulará el campo de flujo con una fase y posteriormente se realizará la simulación multifase euleriana para modelar la fase sólida con la aproximación `drift flux¿ y con un modelo de turbulencia k-¿. El modelo será parcialmente calibrado con ensayos de sedimentación. Se ha elegido el software CFD de código abierto OpenFOAM® por ser libre y ampliamente utilizado en el ámbito profesional y científico. Se propondrán cambios para mejorar el rendimiento y la eficiencia del decantador en la eliminación de sólidos suspendidos. Se pretende que el modelo sea flexible y pueda ser utilizado por la empresa en distintas situaciones.

[CA] En el tractament d'aigües residuals s'utilitzen decantadors per millorar la qualitat de l'aigua eliminant els sòlids suspesos per gravetat. Els processos de separació per gravetat i la hidrodinàmica interna dels decantadors solen ser poc coneguts i el seu disseny sovint està basat en relacions empíriques i en l'experiència. Els CFD (Dinàmica de Fluids Computacional) permeten un coneixement profund del funcionament intern dels decantadors. En aquest projecte s'apliquen els CFD per estudiar el funcionament d'un decantador industrial en el tractament de les aigües subterrànies generades en les obres de construcció, i d'aquesta manera assegurar que el seu posterior abocament complisca amb els estàndards mediambientals. Es desenvolupa un model numèric CFD per estudiar els processos hidrodinàmics i de sedimentació que tenen lloc en el tanc. L'objectiu és entendre millor aquests processos, identificar zones mortes, curt-circuits, i observar l'efecte de la col·locació de deflectors interns per millorar l'eficiència del decantador. També s'estudiarà la sedimentabilitat dels sòlids. Primer es simularà el camp de flux amb una fase i posteriorment es realitzarà la simulació multifase euleriana per modelar la fase sòlida amb l'aproximació 'drift flux' i amb un model de turbulència k-ε. El model serà parcialment calibrat amb assajos de sedimentació. S'ha triat el programari CFD de codi obert OpenFOAM® per ser lliure i àmpliament utilitzat en l'àmbit professional i científic. Es proposaran canvis per millorar el rendiment i l'eficiència del decantador a l'eliminació de sòlids suspesos. Es pretén que el model siga flexible i puga ser utilitzat per l'empresa en diferents situacions.